JP2005042631A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で排気後処理装置への排気ガスの流れを均一化できて、排気後処理装置の機能を向上させることができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関の排気通路に設けられ、かつ排気後処理装置１０を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置１を、排気後処理装置１０を内蔵するケース２０と、ケース２０内で排気後処理装置１０の上流に設けられた上流室２４と、この上流室２４に設けられて排気ガスが流入するとともに、排気ガスの流れ方向の下流端が閉じられ、かつ外周に多数の小穴２６Ａを有する入口管２６と、入口管２６の長手方向の途中位置に同心上に設けられるとともに、流れ方向の下流側に拡開する内部拡径管３０と、を備えて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に係り、詳しくは、内燃機関の排気通路に設けられ、かつ内部に排気後処理装置を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

従来より、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出されるパーティキュレートを捕集したり、ＮＯｘ量を低減させるために、内燃機関の排気通路に排気ガス浄化装置を設けることが知られている。

パーティキュレートを捕集するための排気ガス浄化装置としては、ディーゼルパーティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）と称す）からなる排気後処理装置を備えたものが開発されている。

ＮＯｘ量を低減させるための排気ガス浄化装置としては、ＮＯｘ還元触媒（ＤｅＮＯｘ触媒）やＮＯｘ吸蔵還元触媒からなる排気後処理装置を備えたものが開発されている。

これらの排気ガス浄化装置の排気後処理装置ではいずれの場合でも、コージュライトや炭化珪素等からなる例えば円柱状の担体（コア）が用いられている。つまり、ＤＰＦからなる排気後処理装置では、排気ガスが担体の一方の端面側から流入し、かつ他方の端面から流出することで、この担体がフィルターとして用いられる。また、ＮＯｘ還元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒からなる排気後処理装置では、その担体に各種触媒が担持され、担体内を流れる排気ガス中のＮＯｘが還元される。そして、これらの排気後処理装置は、有底筒状のケース内に収容され、このケースと共に排気ガス浄化装置を構成している。

そのような排気ガス浄化装置では、前記ケースの内部において、排気後処理装置の上流側（排気ガスの流れ方向の上流側）に排気ガスの入口室が設けられ、排気後処理装置の下流側（排気ガスの流れ方向の下流側）に排気ガスの出口室が設けられている。入口室とディーゼルエンジンの排気通路とは入口管によって連通し、出口室と外部とは出口管で連通している。

そして、一般に、入口管と出口管とが軸線上、つまり一直線に配置されていると、排気ガスの流れがスムーズであることから、そのような構成となった排気ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献１）。

この装置では、排気後処理装置の上流側に、排気ガスを均一にして排気後処理装置に流すための整流体が設けられている。この整流体は、波板の表裏面を平板で挟んだ構造であり、下流側に向かって拡開したコーン状となるように、渦巻き状に巻いて形成されている。
特表平０２−５０２１１０号公報

しかしながら、前記従来技術では、整流体を構成するために、波板と平板とを接合させたり、波板にスリットを設けるため、面倒な作業が必要となり、構成も複雑なものとなる。また、波板を所定形状に形成した後、平板で挟み込んだものを、コーン状となるように、かつ渦巻き状に巻いて整流体を形成しなければならず、さらに、その整流体をディフューザに固定しなければならず、製作も、取り付けも容易ではないという問題がある。

また、前記従来技術では、個々に前加工された円錐台形流路モジュール、または方形の流路モジュールで整流体を構成する例、および増大する開口角を備えて相互にはまり合い同心に配置された円錐台面で整流体を構成する例も開示されているが、製作も容易でない上に、排気ガスの流れが均一化しにくいという問題がある。

本発明の目的は、簡単な構成で排気後処理装置への排気ガスの流れを均一化できて、排気後処理装置の機能を向上させることができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。

本発明の請求項１の内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、かつ排気後処理装置を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記排気後処理装置を内蔵するケースと、このケース内で前記排気後処理装置の上流に設けられた上流室と、この上流室に設けられて排気ガスが流入するとともに、当該排気ガスの流れ方向の下流端が閉じられ、かつ外周に多数の小穴を有する入口管と、前記入口管の長手方向の途中位置に略同心上に設けられているとともに、前記流れ方向の下流側に向かって拡開する内部拡径管とを備えて構成されていることを特徴とする。

請求項２の内燃機関の排気ガス浄化装置は、前記ケースの上流室を形成する部分は、前記流れ方向の下流側に向かって拡開する外部拡径部となっており、この外部拡径部と前記内部拡径管との拡径角度がほぼ同一とされていることを特徴とする。

請求項３の内燃機関の排気ガス浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記内部拡径管が複数設けられ、これらの内部拡径管の外径は前記流れ方向の下流側にあるほど小さいことを特徴とする。

請求項４の内燃機関の排気ガス浄化装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記入口管の前記流れ方向の下流端を閉じる蓋部材は、流れ方向の下流側に向かって突出した略半球形状ないし円錐形状とされていることを特徴とする。

請求項１の排気ガス浄化装置においては、内燃機関の排気通路から排気される排気ガスが、入口管の多数の小穴から上流室に流れ出るが、入口管の途中に内部拡径管が設けられているため、上流部に流出した排気ガスの一部は、内部拡径管の内外周面によって外側にガイドされて排気後処理装置の外周側に向かって流れ、残りは入口管に沿って排気後処理装置の中央に向かって流れる。

従って、排気ガスは排気後処理装置の流入側端に対して、中央から外周側にかけて満遍なく流れるので、入口管の途中に内部拡径管を設けるだけの簡単な構成で均一な流れ分布が得られ、その結果、排気後処理装置の機能を向上させることができる。

請求項２の排気ガス浄化装置では、外部拡径部と内部拡径管との拡径角度がほぼ同一とされているので、両者の間に同一間隔を保ったまま外側に拡がる流路が形成される。従って、排気ガスの流れがスムーズとなる。

請求項３の排気ガス浄化装置においては、入口管から流れる排気ガスが、複数設けた内部拡径管によりそれぞれ拡散されるので、流れ分布をより均一にすることができる。また、内部拡径管の外径を、流れ方向先端側にあるほど小さくしたので、一つの内部拡径管を経由して流れる排気ガスが他の内部拡径管により邪魔されることがなく、その結果、入口管の流れ方向の長さを短くでき、ひいては、外部拡径管を小さくすることができる。

請求項４の排気ガスの浄化装置では、入口管から流れた排気ガスが、一部は、内部拡径管によってガイドされて外周側に流れるようになる他、一部は、蓋部材の略半球または円錐形状に沿って流れるので、排気後処理装置の中心部側にも流れやすくなり、その結果、排気ガスの流れが一層均一となり、また、排気後処理装置の中心部側も充分に活用できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

なお、第２実施形態以降において、次の第１実施形態で説明する構成部材と同様な構成部材、もしくは同様な機能を有する構成部材には同じ符号を付し、第２実施形態以降でのそれらの説明を簡略化または省略する。
〔第１実施形態〕
図１には本発明に係る排気ガス浄化装置１の第１実施形態が、図２には排気ガス浄化装置１の構成部材が、それぞれ示されている。

排気ガス浄化装置１は、内燃機関としての図示しないディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化するものであって、排気ガスが、入り口側から出口側まで一直線に流れるように構成されている。

排気ガス浄化装置１は、円柱状の排気後処理装置１０を備えており、この排気後処理装置１０は、ケース２０に収容されている。

このケース２０は板金製であり、筒状の本体部２１と、この本体部２１の上流側（排気ガスの流れ方向上流側；図１中左方）に、本体部２１と一体的に設けられた外部拡径管２２と、本体部２１の下流側（排気ガスの流れ方向下流側；図１中右方）に、本体部２１と一体的に設けられた外部縮径管２３とを備えて構成されている。

外部拡径管２２は、流れ方向の下流側に拡開しており、拡開した一端部にはフランジ部２２Ａが形成されている。この外部拡径管２２のフランジ部２２Ａは、本体部２１のフランジ部２１Ａと対向し、両者２２Ａ、２１Ａは、例えばボルト２９によって結合されている。そして、ケース２０内において外部拡径管２２によって上流室２４が形成されている。

また、外部縮径管２３は、外部拡径管２２とほぼ同じ形状に形成されており、外部拡径管２２と外部縮径管２３との拡開部同士を対向させた状態で本体部２１に一体的に設けられている。

外部縮径管２３の下流側端部には、排気ガスを外部に排出する出口管２８が取り付けられている。そして、ケース２０内において外部縮径管２３によって下流室２５が形成されている。

外部拡径管２２の上流側端部（図１中左側）には、入口管２６の途中部が溶接等で固着されている。この入口管２６は、ディーゼルエンジンの排気通路とケース２０内の上流室２４とを連通する管部材であり、その内部には排気ガスが流れるとともに、流れの下流側端部は蓋部材２７で閉じられている。

入口管２６は、外部拡径管２２の内部に挿通され、外部拡径管２２と本体部２１との境界部近傍まで入り込んでいる。そして、このような入口管２６の外周には多数の小穴２６Ａがあけられている。なお、小穴２６Ａの数、並び、穴径等は、排気後処理装置１０の大きさ等に対応して、適宜設定されている。

入口管２６の長手方向の途中位置には、内部拡径管であるガイドベーン３０が設けられている。このガイドベーン３０は、外部拡径管２２に対して略同心上に位置しており、流れの下流側に拡開したコーン状に形成されている。そのため、入口管２６から排気後処理装置１０へ流入する排気ガスの流れ分布を均一化する機能を有している。

ガイドベーン３０は、入口管２６の軸線Ｃに対して拡径角度α２で取り付けられている。そして、このガイドベーン３０の拡径角度α２は、前記外部縮径管２３の拡径角度α１よりも、５〜１０°大きい程度で、ほぼ同じになっている。すなわち、この程度の差は「ほぼ同じ」の範囲に含まれる。

なお、拡径角度α２と拡径角度α１とを完全に同じにしてもよいが、拡径角度α２を拡径角度α１よりわずか５〜１０°程度大きくすることで、排気ガスの流路を外側に向かって拡げることができるので、ガイドベーン３０の長さが長くなくてもよい。

拡径角度α２が拡径角度α１よりも小さすぎると、排気ガスの拡散効果が薄れ、逆に大きすぎると、ガイドベーン３０の長さ、取り付け位置によっては排気ガスの流れを阻害することになる。つまり、ガイドベーン３０が上流室２４の中央付近に設けられ、拡径角度α２と拡径角度α１との差が５〜１０°の場合では、排気ガスの拡散効果およびスムーズな流れを考慮して、ガイドベーン３０の外径寸法Ｄ１は、前記本体部２１の内径寸法Ｄ２の０．５〜０．７倍の寸法に形成されることが好ましい。

なお、図１、図２において、排気ガスの流れを実線の矢印で示してある。

排気後処理装置１０は、図２にも示すように、流入側端面１１から排気側端面１２側に向けて連通した断面四角状、あるいは断面六角形状（本実施形態では断面六角形状）の多数の流路１３を有する担体１４からなり、ケース２０内に適宜な支持部材を介して配置されている。この担体１４は、背景技術でも説明したが、コージュライトや炭化珪素からなるセラミックス製であり、用途によってはステンレス製とされる場合もある。

排気後処理装置１０がＤＰＦである場合には、担体１４の流路１３は、排気側端面１２側が目封じされた流入側流路と、流入側端面１１側が目封じされた排気側流路とに分けられ、これらの流路が千鳥状に配置される。そして、各流路の境界壁部分はランダムな多穴質状とされ、流入側流路から流入した排気ガス中のパーティキュレート（例えば煤など）は、その境界壁部分で捕集されて流入側流路内に蓄積し、パーティキュレートが除かれたクリーンな排気ガスが排気側流路を通って排出される。

一方、排気後処理装置１０で触媒を用いる場合には、浸漬による含浸、ウォッシュコート、イオン交換などの既知の方法により、担体１４にＮＯｘ還元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒が担持される。そして、排気ガスが流路１３を通り抜ける間に、触媒の作用によって排気ガス中のＮＯｘがＮ2に還元され、排気ガスが浄化されてクリーンになる。

以上のガイドベーン３０を設けた構成では、入口管２６を流れてきた排気ガスが多数の小穴２６Ａから上流室２４に流れるが、ガイドベーン３０より上流側の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、ガイドベーン３０の外周面によってガイドされて排気後処理装置１０の外周に向かって流れ、排気後処理装置１０の流入側端面１１に達する。

一方、入口管２６のガイドベーン３０より下流側の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、一部がガイドベーン３０の内周面によってガイドされて排気後処理装置１０の中央部寄りに向かって流れる。

さらに、入口管２６の下流端に近い位置から流出した排気ガスは、入口管２６の軸線に沿って排気後処理装置１０の中央部側に向かって流れ、排気後処理装置１０の流入側端面１１に達する。

以上のように、排気ガスは上流室２４の外周、中央部寄り、および中央部から流れるため、流れ分布がより均一化され、この均一化された状態で排気後処理装置１０へ流入する。

そして、排気後処理装置１０内を通過した排気ガスは、排気後処理装置１０で浄化され、下流室２５を経て出口管２８から外部に排出される。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）内燃機関の排気通路から排気される排気ガスが、入口管２６の多数の小穴２６Ａから上流室２４に流れるが、入口管２６の途中にガイドベーン３０が設けられているため、上流室２４に流れた排気ガスの一部は、ガイドベーン３０の外周面によってガイドされて排気後処理装置１０の外周に向かって流れ、一部は入口管２６に沿って排気後処理装置１０の中央部に向かって流れる。従って、排気ガスは上流室２４内を排気後処理装置１０に向かって満遍なく流れるので、入口管２６の途中にガイドベーン３０を設けるだけの簡単な構成で均一な流れ分布が得られ、その結果、排気後処理装置１０の機能を向上させることができる。
（２）入口管２６の多数の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、ほとんどが排気後処理装置１０に向かって流れるので、圧力損失を低減できる。
（３）外部拡径管２２の拡径角度α１に対して、ガイドベーン３０の拡径角度α２が、５〜１０°程度のわずかな差で大きくなっており、ほぼ同じとなっているので、排気ガスの流れがスムーズとなる。また、拡径角度α２を拡径角度α１よりわずか５〜１０°程度大きくすることで、排気ガスの流路を外側に向かって拡げることができるので、ガイドベーン３０の長さが長くなくてもよい。
〔第２実施形態〕
図３には、本発明の第２実施形態が示されている。

本実施形態の排気ガス浄化装置１Ａは、前記入口管２６の途中に複数のガイドベーン４０，４１，４２を設けたものである。

図３に示すように、前記入口管２６の途中には、第１ガイドベーン４０、第２ガイドベーン４１、および第３ガイドベーン４２が、入口管２６の軸方向にほぼ等間隔で固着されている。これらの第１、第２、第３ガイドベーン４０，４１，４２は、それぞれの外形寸法Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４が、排気ガスの流れ方向の下流にあるほど小さいものとなっている。

すなわち、入口管２６の最も上流側に配置された第１ガイドベーン４０の外形寸法Ｄ１が最も大きく形成され、入口管２６の最も下流側に配置された第３ガイドベーン３０の外形寸法Ｄ４が最も小さく形成され、第１、第３ガイドベーン４０，４２の間に配置される第２ガイドベーン４１の外形寸法Ｄ３が中間の大きさに形成されている。

そして、第１ガイドベーン４０の外形寸法Ｄ１は、前記第１実施形態のガイドベーン３０とほぼ同じ大きさであり、また、第１ガイドベーン４０の拡径角度α２も第１実施形態のガイドベーン３０と同じとなっている。さらに、第２、第３ガイドベーン４１，４２も第１ガイドベーン４０の拡径角度α２とほぼ同じ拡径角度となっている。

このような構成では、入口管２６を流れてきた排気ガスが多数の小穴２６Ａから上流室２４に流れるが、第１ガイドベーン４０より上流側の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、当該第１ガイドベーン４０の外周面によってガイドされて、排気後処理装置１０の外周に向かって流れ、排気後処理装置１０の流入側端面１１に達する。

入口管２６の第１ガイドベーン４０と第２ガイドベーン４１との間の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、第１、第２ガイドベーン４０，４１の内外周面によってガイドされて、これら第１、第２ガイドベーン４０，４１の間を通り、排気後処理装置１０の幾分中央部寄りに向かって流れ、排気後処理装置１０の流入側端面１１に達する。

入口管２６の第３ガイドベーン４２と第２ガイドベーン４１との間の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、第２、第３ガイドベーン４１，４２の内外周面によってガイドされて、これら第２、第３ガイドベーン４２，４１との間を通り、排気後処理装置１０の中央部寄りに向かって流れ、排気後処理装置１０の流入側端面１１に達する。

また、入口管２６の第３ガイドベーン４２よりも下流側の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、第３ガイドベーン４２の内周面に沿い、かつ、入口管２６に沿って流れて排気後処理装置１０の中央部に向かい、排気後処理装置１０の流入側端面１１に達する。

このように、入口管２６の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、上流室２４の外周側、中央部およびその中間部から流れるため、流れ分布がより均一化され、この均一化された状態で排気後処理装置１０へ流入する。

そして、排気後処理装置１０内を通過した排気ガスは、排気後処理装置１０で浄化され、下流室２５を経て出口管２８から外部に排出される。

このような本実施形態においては、前記(１)〜(３)と同様の効果を得ることができる他、以下の効果がある。
（４）入口管２６から流れる排気ガスが、第１、第２、第３ガイドベーン４０，４１，４２によりそれぞれガイドされて流れるので、流れ分布をより均一にすることができる。
（５）第１、第２、第３ガイドベーン４０，４１，４２の外径が、流れ方向の下流にあるほど小さいものとしたので、一つのガイドベーン４０等を経由して流れる排気ガスが、他のガイドベーン４１等により邪魔されることがなく、その結果、入口管２６の長さを短くでき、ひいては、外部拡径管２２を小さくすることができる。
〔第３実施形態〕
図４には、本発明の第３実施形態が示されている。

この実施形態の排気ガス浄化装置１Ｂは、入口管（２６）の流れ方向の下流端を閉じる蓋部材４７を、流れ方向の下流側に向かって突出した略半球形状としたものである。

このような構成では、入口管２６を流れてきた排気ガスが多数の小穴２６Ａから上流室２４に流れるが、ガイドベーン３０より上流側の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、当該ガイドベーン３０の外周面にガイドされて排気後処理装置１０の外周に向かって流れ、排気後処理装置１０の流入側端面１１に達する。

一方、入口管２６のガイドベーン３０より下流側の小穴２６Ａから流れた排気ガスは、一部がガイドベーン３０の内周面に沿い、一部は入口管２６から蓋部材４７の表面に沿って排気後処理装置１０の中央部に向かって流れ、排気後処理装置１０の流入側端面１１に達する。

このような本実施形態においては、前記(１)〜(３)と同様の効果を得ることができる他、以下の効果がある。
（６）入口管２６から流れた排気ガスが、一部が、ガイドベーン３０の外周面にガイドされて排気後処理装置１０の外周に向かって流れるとともに、一部は、略半球形状に形成された蓋部材４７の半球部の表面に沿って排気後処理装置１０の中央部に向かって流れるので、排気ガスが均一化され、また、排気後処理装置１０の中央部も充分に活用できて、より浄化効率が向上する。

なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

すなわち、前記第２実施形態では、第１ガイドベーン４０、第２ガイドベーン４１、および第３ガイドベーン４２を設けた入口管２６の蓋部材２７は板状に形成されているが、この板状の蓋部材２７に替えて、前記第３実施形態の略半球形状の蓋部材４７を用いてもよい。

このようにすれば、第１、第２、第３ガイドベーン４０，４１，４２によって排気ガスが均一化されて流れる他、半球形状の蓋部材４７の表面に沿って流れ、排気ガスが排気後処理装置１０の中央部に向いて流れるので、排気ガスがより均一に流れるようになる。

また、前記第３実施形態では、入口管２６の蓋部材４７を略半球形状に形成したものを使用したが、これに限らず、例えば、円錐形状に形成してもよい。

そして、このようにしても、前記第３実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

その他、排気後処理装置１０を構成する担体１４の全体形状や、ケース２０、外部拡径管２２および外部縮径管２３の全体形状、あるいは入口管２６の形状、さらには、それらの材質などは、その実施にあたって適宜に変更可能であり、前記各実施形態のものに限定されない。

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に利用できる他、排気後処理装置の適用が見込まれるあらゆる内燃機関の排気ガス浄化装置として利用できる。

本発明に係る排気ガス浄化装置の第１実施形態を示す断面図である。 前記第１実施形態の構成部材を示す斜視図である。 本発明に係る排気ガス浄化装置の第２実施形態を示す断面図である。 本発明に係る排気ガス浄化装置の第３実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ…排気ガス浄化装置、１０…排気後処理装置、２０…ケース、２２…上流室を形成する外部拡径管部、２４…上流室、２６…入口管、２６Ａ…多数の小穴、２７，４７…蓋部材、３０…内部拡径管であるガイドベーン、α１…外部拡径管部の拡径角度、α２…ガイドベーンの拡径角度。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、かつ排気後処理装置を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記排気後処理装置（１０）を内蔵するケース（２０）と、
   このケース（２０）内で前記排気後処理装置（１０）の上流に設けられた上流室（２４）と、
   この上流室（２４）に設けられて排気ガスが流入するとともに、当該排気ガスの流れ方向の下流端が閉じられ、かつ外周に多数の小穴を有する入口管（２６）と、
   前記入口管（２６）の長手方向の途中位置に略同心上に設けられているとともに、前記流れ方向の下流側に向かって拡開する内部拡径管（３０）とを備えて構成されている
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置（１）。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置（１）において、
   前記ケース（２０）の上流室（２４）を形成する部分は、前記流れ方向の下流側に向かって拡開する外部拡径部となっており、
   この外部拡径部（２２）と前記内部拡径管（３０）との拡径角度がほぼ同一とされている
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置（１）。
3. 請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置（１）において、
   前記内部拡径管（４０），（４１），（４２）が複数設けられ、これらの内部拡径管（４０），（４１），（４２）の外径は前記流れ方向の下流側にあるほど小さい
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置（１Ａ）。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置（１）において、
   前記入口管（２６）の前記流れ方向の下流端を閉じる蓋部材（４７）は、流れ方向の下流側に向かって突出した略半球形状ないし円錐形状とされている
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置（１Ｂ）。

Images